KR20050088114A

KR20050088114A - 구상 주물사 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20050088114A
Application number: KR1020057010439A
Authority: KR
Inventors: 미키오 사카구치; 시게오 나카이; 가즈히코 기우치; 아키라 도이
Original assignee: 카오카부시키가이샤
Priority date: 2002-12-09
Filing date: 2003-12-09
Publication date: 2005-09-01
Also published as: WO2004052572A1; CN1308099C; AU2003289258A1; EP1595617A4; KR100998461B1; DE60315076T3; US7673668B2; CN1723094A; DE60315076T2; EP1595617A1; EP1595617B1; US20060005937A1; DE60315076D1; EP1595617B2

Abstract

Al₂O₃및 SiO₂ 를 주성분으로 하여 이루어지는 분말을, 화염용융법에 의해 구상화함으로써, 구형도가 높고, 흡습율이 작은 주물사를 제조하고, 나아가서는 강도가 우수하고, 평활한 표면을 갖는 주형을 제조하는 것을 특징으로 한다.

Description

구상 주물사 및 그 제조방법{SPHERICAL CASTING SAND}

본 발명은, 주강, 주철, 알루미늄, 구리 및 이들 합금 등의 주조용 주형에 사용될 수 있는 구상 주물사 및 그 제조방법 그리고 주조용 주형에 관한 것이다.

종래부터 주물사로서 규사가 널리 사용되고 있다. 규사는 광산물이기 때문에 형태가 부정형이고, 유동성이 부족하며, 충전성이 나쁘다. 이 때문에, 규사로 이루어지는 주형의 표면은 거칠고, 따라서 주조품 (주물) 의 표면이 거칠어, 후공정인 연마공정으로의 부하가 커진다. 또한, 규사의 구성 광물인 석영은 주조시의 열부하에 의해 크리스토발라이트 등으로 결정 변태되고, 그 때의 체적 변화에 의해 붕괴되기 때문에, 규사는 주물사로서의 재생 효율이 낮다. 이들 문제를 해결하는 수단으로서, 구상 주물사 (예를 들면, 일본 공개특허공보 평4-367349호 참조) 나, 고규산질 구상 주물사 및 그 제조방법 (예를 들어, 일본 공개특허공보 평5-169184호 참조) 이 개시되어 있다. 이들은, 원료조성물을 구형으로 조립한 후, 로터리 킬른 등에서 소성하는 것이다. 그러나, 얻어지는 주물사의 구형도는 낮고, 이 때문에 유동성 및 충전성은 불충분하여, 주물 표면의 거침을 개선하는 효과는 작다. 또한, 소결법이기 때문에 많은 개구구멍이 존재하는 흡수율이 큰 다공질의 것밖에 얻어지지 않는다. 그 결과, 주형의 강도가 불충분하거나, 주형 제작시에 다량의 바인더를 필요로 하기 때문에, 주물사로서의 재생이 곤란해진다.

도 1 은 실시예 1 에서 얻어진 주물사의 반사현미경 사진 (배율 : 100배) 이다.

도 2 는 비교예 1 에서 얻어진 주물사의 반사현미경 사진 (배율 : 100배) 이다.

도 3 은 실시예 9 와 비교예 1, 4 에서 얻어진 주물사로 각각 제작한 주형의 경시적인 강도 시험의 결과를 나타내는 그래프이다.

본 발명은, Al₂O₃및 SiO₂ 를 주성분으로 함유하여 이루어지고, Al₂O₃/SiO₂중량비율이 1∼15, 평균입경이 0.05∼1.5㎜ 인 화염용융법으로 제조된 구상 주물사를 제공한다. 또한, 본 발명은, Al₂O₃및 SiO₂를 주성분으로 함유하여 이루어지고, Al₂O₃/SiO₂ 중량비율이 1∼15, 평균입경이 0.05∼1.5㎜, 구형도가 0.95 이상인 구상 주물사 (球狀鑄物砂) 를 제공한다. 또한, 본 발명은, Al₂O₃및 SiO₂를 주성분으로 하는, Al₂O₃/SiO₂중량비율이 0.9∼17, 평균입경이 0.05∼2㎜ 인 분말입자를, 화염 속에서 용융하여 구상화하는 공정을 포함하는, 상기 구상 주물사의 제조방법을 제공한다. 또한, 본 발명은, 상기 구상 주물사를 포함하여 이루어지는 주조용 주형을 제공한다.

본 발명은, 유동성이 우수하고, 고강도이고 또한 표면이 평활한 주조용 주형을 제조할 수 있는 구상 주물사 및 그 제조방법 그리고 그 주조용 주형을 제공한다.

본 발명자 등은 특정한 성분조성 및 입경을 갖고, 구형도가 크고, 게다가 흡수율이 작은 내화성 입자가 주물사로서 우수한 성능을 발휘하는 것을 발견하고, 본 발명을 완성시키기에 이르렀다.

따라서, 본 발명의 구상 주물사는 유동성이 우수하고, 당해 주물사에 의하면, 고강도이고 또한 표면이 평활한 주조용 주형이 얻어진다.

본 발명의 구상 주물사는 크게 2개의 태양으로 이루어진다. 제 1 태양은, Al₂O₃및 SiO₂를 주성분으로 함유하여 이루어지고, Al₂O₃/SiO₂중량비율이 1∼15, 평균입경이 0.05∼1.5㎜ 인, 화염용융법으로 제조된 구상 주물사이다. 또한, 제 2 태양은, Al₂O₃및 SiO₂를 주성분으로 함유하여 이루어지고, Al₂O₃/SiO₂중량비율이 1∼15, 평균입경이 0.05∼1.5㎜, 구형도가 0.95 이상인 구상 주물사이다.

본 발명의 구상 주물사는, 특정한 성분조성 및 평균입경을 갖고, 구형도가 큰 점에 하나의 큰 특징을 갖는다. 이러한 구성을 갖는 점에서, 유동성이 우수하고, 고강도이고 또한 표면이 평활한 주조용 주형의 제조가 가능해진다. 또한, 종래에 비교하여 적은 바인더량으로 주형을 제조할 수 있고, 재생이 용이하다.

본 발명의 구상 주물사의 형상인 구상이란, 구형도 0.88 이상, 바람직하게는 0.90 이상인 것을 말한다. 구상인지의 여부에 관해서는, 예를 들어, 후술하는 실시예에 기재하는 바와 같이 주물사를 광학현미경이나 디지털 스코프 (예를 들어, 키엔스사 제조, VH-8000형) 등으로 관찰하여 판정할 수 있다.

본 발명의 구상 주물사는 Al₂O₃및 SiO₂를 주성분으로 하지만, 여기서「주성분」이란 Al₂O₃ 및 SiO₂ 가 합계량으로 주물사 전체의 전체 성분 중에 80중량% 이상 함유되어 있는 것을 말한다.

본 발명의 구상 주물사의 주성분인 Al₂O₃ 및 SiO₂ 의 함유량으로는 내화성의 향상이라는 관점에서, 이들 합계량으로서, 구상 주물사의 전체 성분 중, 바람직하게는 85∼100중량%, 보다 바람직하게는 90∼100중량% 이다.

또한, Al₂O₃/SiO₂ 중량비율은 1∼15 이다. 내화성 및 주물사의 재생 효율의 향상이라는 관점에서 1.2∼12 가 바람직하고, 1.5∼9 가 보다 바람직하다.

또, 본 발명의 구상 주물사에 주성분 이외의 성분으로서 함유될 수 있는 것으로는 예를 들어, CaO, MgO, Fe₂O₃, TiO₂, K₂O, Na₂O 등의 금속산화물을 들 수 있다. 이들은, 출발원료로 사용하는, 예를 들어, 후술하는 원료에 유래하는 것이다. Ca0 와 Mg0 가 함유되는 경우, 구상 주물사의 내화성의 향상 관점에서, 이들 함유량으로는 합계량으로서 5중량% 이하가 바람직하다. Fe₂O₃와 TiO₂가 함유되는 경우, 이들 함유량으로는 각각 5중량% 이하가 바람직하다. 또한, Fe₂O₃의 함유량은 2.5중량% 이하가 보다 바람직하고, 2중량% 이하가 더욱 바람직하다. K₂O 와 Na₂O 가 함유되는 경우, 이들 함유량으로는 합계량으로서 3중량% 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 1중량% 이하이다.

본 발명의 구상 주물사의 평균입경(㎜) 은 0.05∼1.5㎜ 의 범위이다. 0.05㎜ 미만이 되면 주형의 제조에 많은 바인더를 필요로 하여, 주물사로서 재생하는 것이 곤란해지기 때문에 바람직하지 않다. 한편, 1.5㎜ 를 초과하면 주형의 공극률이 커져, 주형 강도의 저하로 이어지는 점에서 바람직하지 않다. 구상 주물사의 재생 효율을 높이는 관점에서, 0.075∼1.5㎜ 가 바람직하고, 한편으로 주형 강도를 높이는 관점에서, 0.05∼1㎜ 가 바람직하다. 재생 효율과 주형 강도의 양자를 높이는 관점에서, 0.05∼0.5㎜ 가 보다 바람직하고, 0.05∼0.35㎜ 가더욱 바람직하다. 또, 본 발명의 구상 주물사를 표면사 등으로 사용하는 경우에는, 그 평균입경을 0.01∼0.1㎜ 의 범위에서 사용하는 것이 바람직하다.

상기 평균입경은 아래와 같이 하여 구할 수 있다. 즉, 구상 주물사 입자의 입자 투영 단면으로부터의 구형도=1 인 경우는 직경 (㎜) 을 측정하고, 한편, 구형도〈1 인 경우는 무작위로 배향시킨 구상 주물사 입자의 장축 직경 (㎜) 과 단축 직경 (㎜) 을 측정하여 (장축 직경＋단축 직경)/2 을 구하고, 임의의 100개의 구상 주물사 입자에 대해, 각각 얻어진 값을 평균하여 평균입경(㎜) 으로 한다. 장축 직경과 단축 직경은 아래와 같이 정의된다. 입자를 평면 상에 안정시켜, 그 입자의 평면 상에 대한 투영 이미지를 2개의 평행선 사이에 끼웠을 때, 그 평행선의 간격이 최소가 되는 입자의 폭을 단축 직경이라고 하고, 또한 이 평행선에 직각인 방향의 2개의 평행선 사이에 입자를 끼웠을 때의 거리를 장축 직경이라고 한다.

또, 구상 주물사 입자의 장축 직경과 단축 직경은, 광학현미경 또는 디지털 스코프 (예를 들어, 키엔스사 제조, VH-8000형) 에 의해 그 입자의 이미지 (사진) 를 얻고, 얻어진 이미지를 화상 해석함으로써 구할 수 있다. 또한, 구형도는, 얻어진 이미지를 화상 해석함으로써, 그 입자의 입자 투영 단면의 면적 및 그 단면의 주위 길이를 구하고, 이어서, 〔입자 투영 단면의 면적 (㎟) 과 동일 면적의 진원 (원) 의 원 둘레 길이 (㎜)〕/〔입자 투영 단면의 주위 길이 (㎜)〕를 계산하여, 임의의 50개의 구상 주물사 입자에 대해 각각 얻어진 값을 평균하여 구한다.

본 발명의 제 1 태양의 구상 주물사는 화염용융법에 의해 얻어진다. 따라서, 구형도가 높고, 치밀하다는 구조적 특징을 갖는다. 당해 구조적 특징은 유동성, 주형 강도, 주조된 주물의 표면평활성의 향상에 크게 기여한다.

본 발명의 제 1 태양의 구상 주물사로는 유동성 향상의 관점에서, 그 구형도가, 0.95 이상인 것이 바람직하고, 0.98 이상인 것이 보다 바람직하고, 0.99 이상인 것이 더욱 바람직하다. 따라서, 본 발명의 제 1 태양의 구상 주물사로는, 예를 들어, Al₂O₃ 및 SiO₂ 를 주성분으로 함유하여 이루어지고, Al₂O₃/SiO₂중량비율이 1∼15, 평균입경이 0.05∼0.5㎜, 구형도가 0.95 이상인 화염용융법에 의해 만들어진 구상 주물사가 바람직하다.

또한, 본 발명의 제 2 태양의 구상 주물사의 구형도는 0.95 이상이다. 유동성 향상의 관점에서, 0.98 이상이 바람직하고, 0.99 이상이 보다 바람직하다.

또한, 본 발명의 구상 주물사의 흡수율 (중량%) 로는, 주형을 제조할 때에 사용하는 바인더가 주물사 내부에 흡수되는 것에 의한 바인더 사용량의 증가의 억제나, 주형 강도의 향상 등의 관점에서, 3중량% 이하가 바람직하고, 0.8중량% 이하가 보다 바람직하고, 0.3중량% 이하가 더욱 바람직하다. 흡수율은 JIS A1109 세골재의 흡수율 측정방법에 따라서 측정할 수 있다.

또, 구상 주물사의 흡수율은, 화염 용융법에 의해 그 모래를 조제하는 경우, 그 방법 이외의 소성 방법에 의해 조제한 모래와 비교하여, 동일 구형도이면 통상적으로 낮아진다.

또한 본 발명의 구상 주물사의 구형도가 0.98 이상인 경우, 이러한 구상 주물사가, 규사 등의 유동성이 낮은 공지된 주물사와의 혼합물 중에 바람직하게는 50체적% 이상 함유되어 있으면, 그 혼합물로 이루어지는 주물사는 충분히 본 발명의 원하는 효과를 발휘할 수 있다. 즉, 상기한 바와 같은 공지된 주물사에 본 발명의 구상 주물사를 서서히 첨가해가면, 첨가량에 따라 본 발명의 원하는 효과를 발휘하게 되지만, 상기 혼합물로 이루어지는 주물사 중에, 상기 소정의 구형도를 갖는 본 발명의 구상 주물사가 50체적% 이상 함유되면, 그 효과는 현저해진다. 또, 당해 혼합물로 이루어지는 주물사 중의, 구형도가 0.98 이상인 본 발명의 구상 주물사의 함유량으로는, 보다 바람직하게는 60체적% 이상, 더욱 바람직하게는 80체적% 이상이다. 따라서, 본 발명의 구상 주물사로는, 그 이용성이 우수한 점에서, 구형도가 0.98 이상인 것이 특히 바람직하다. 또한, 이러한 구상 주물사를 50체적% 이상 함유하는 주물사는, 본 발명의 구상 주물사와 동등한 효과를 발휘할 수 있는 점에서, 이러한 주물사도 본 발명에 포함된다.

상기한 바와 같이 본 발명의 제 1 태양의 구상 주물사는 화염용융법에 의해 제조된다. 또한, 본 발명의 제 2 태양의 구상 주물사는, 예를 들어, 조립하여 소결하는 방법, 전융 아토마이즈법 등의 공지된 방법에 의해 제조할 수 있지만, 그 중에서도, 본 발명의 제 1 태양의 구상 주물사와 동일하게 화염용융법에 의해 제조하는 것이 바람직하다. 따라서, 이하에 있어서는, 화염용융법에 의한, 본 발명의 구상 주물사의 제조방법의 일례를 설명한다. 또, 당해 제조방법도 본 발명에 포함된다.

본 발명의 구상 주물사의 제조방법은, Al₂O₃및 SiO₂를 주성분으로 하는, Al₂O₃/SiO₂ 중량비율이 0.9∼17, 평균입경이 0.05∼2㎜ 의 분말입자를 출발원료로 하여, 당해 분말입자를 화염 속에서 용융하여 구상화하는 공정을 포함하는 것이다.

또, 여기서「Al₂O₃및 SiO₂ 를 주성분으로 하는」이란, 출발원료로서의 분말입자 전체에 있어서의 전체성분 중에 Al₂O₃및 SiO₂ 가 합계량으로 80중량% 이상 함유되어 있는 것을 말한다. 따라서 「Al₂O₃ 및 SiO₂를 주성분으로 하는」한, 당해 분말입자로서는, 후술하는 바와 같은 Al₂O₃원으로서의 원료와 SiO₂ 원으로서의 원료의 혼합물로 이루어지는 것이어도 되고, (Al₂O₃+SiO₂) 원으로서의 원료 단독으로 이루어지는 것이어도 되고, 또한, Al₂O₃원으로서의 원료 및/또는 SiO₂ 원으로서의 원료와 (Al₂O₃+SiO₂) 원으로서의 원료의 혼합물이어도 된다.

출발원료로서의 상기 분말입자에 있어서는, 주성분인 Al₂O₃및 SiO₂ 의 합계량으로서의 함유량은, 얻어지는 구상 주물사 중의 Al₂O₃및 SiO₂의 합계량이 전체 성분중 80중량% 이상이 되도록 하는 관점에서, 바람직하게는 75중량% 이상이고, 보다 바람직하게는 80중량% 이상이고, 더욱 바람직하게는 85∼100중량%,특히 바람직하게는 90∼100중량% 이다. Al₂O₃/SiO₂중량비율로서는, 얻어지는 구상 주물사 중의 Al₂O₃/SiO₂ 중량비율이 1∼15 가 되도록 하는 관점에서, 0.9∼17 이고, 바람직하게는 1∼15 이다. 평균입경으로서는 단분산의 구상 주물사를 얻는 관점에서 0.05㎜ 이상이고, 원하는 구형도를 갖는 주물사를 얻는 관점에서 2㎜ 이하이고, 이들 양 관점을 만족시키기 위해 0.05∼2㎜ 이다. 또, 얻어지는 주물사의 구형도의 향상이라는 관점에서는, 0.05∼1.5㎜ 가 바람직하다. 또, 표면사 등으로 사용하기 위한, 평균입경 0.01∼0.1㎜ 인 범위의 상기 구상 주물사를 얻기 위해서는, 평균입경 0.01∼0.1㎜ 범위의 출발원료를 사용하는 것이 바람직하다.

Al₂O₃/SiO₂ 중량비율이, 원료 분말입자와 얻어지는 구상 주물사에서 다른 것은, 원료에 따라 Al₂O₃의 일실량 (逸失量) 과 SiO₂ 의 일실량이 다르기 때문이다. 또한, 원료 분말입자의 평균입경에 관해서는, 부정형의 분말은 구상으로 됨으로써 입경이 감소되지만, 원래 구상의 분말은 입경이 변화하지 않기 때문에, 상기 범위이면 된다.

본 발명의 구상 주물사를 얻기 위해서는, 출발원료로서의 분말입자는, 용융시의 성분증발을 고려하여, Al₂O₃/SiO₂중량비율 및 평균입경이 상기 범위 내로 되도록 조제하여 사용한다.

출발원료인 분말입자를 용융할 때, 당해 입자에 수분이 함유되면, 그 수분이 증발되기 때문에, 얻어지는 주물사에는 당해 수분의 증발에 따라 다수의 개공이 형성되게 된다. 당해 개공의 형성은, 주물사의 흡수율의 증가나, 구형도의 저하를 가져온다. 따라서, 출발원료의 함수율 (중량%) 로는, 얻어지는 구상 주물사의 흡수율 및 구형도를 적절한 범위로 조절하는 관점에서, 10 중량% 이하가 바람직하고, 3중량% 이하가 보다 바람직하고, 1중량% 이하가 더욱 바람직하다. 함수율은 분말입자 10g 을 800℃ 에서 1시간 가열하였을 때의 감량에 의해 측정한다.

출발원료는, 예를 들어, 내화성을 갖는 광산원료 및 합성원료로부터 선택할 수 있다. Al₂O₃원으로서의 원료로서, 포크사이트, 반토혈암, 산화알루미늄, 수산화알루미늄 등을 들 수 있다. 또한, SiO₂원으로서의 원료로서, 규석, 규사, 석영, 크리스토발라이트, 비정질실리카, 장석, 파일로피라이트 등을 들 수 있다. 또한, (Al₂O₃+SiO₂) 원으로서의 원료로서, 카올린, 반토혈암, 포크사이트, 운모, 실리마나이트, 안달루사이트, 멀라이트, 제올라이트, 몬모릴로나이트, 하일로사이트 등을 들 수 있다. 이들 원료는 각각 단독으로, 혹은 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 선택된 출발원료는, 그 함수율을 저하시키기 때문에, 또는 그 용융을 쉽게 하기 위해 가소하여 사용하는 것이 바람직하다. 가소된 원료 분말입자로서는 가소 반토혈암, 가소 멀라이트, 가소 포크사이트, 가소한 수산화알루미늄과 카올린의 혼합물 등이 예시된다.

출발원료로서의 분말입자를 화염 속에서 용융하여 구상화하는 공정에서는, 상기와 같은 출발원료를 산소 등의 캐리어 가스에 분산시켜, 화염 중에 투입함으로써 용융하여 구상화한다 (화염용융법). 바람직한 태양에 있어서는, 하기 화염 중에 투입한다.

사용하는 화염은 프로판, 부탄, 메탄, 천연 액화 가스, LPG, 중유, 등유, 경유, 미분탄 등의 연료를 산소와 연소시킴으로써 발생시킨다. 연료의 대산소비는 완전연소의 관점에서 용량비로 1.01∼1.3 이 바람직하다. 고온의 화염을 발생시키는 관점에서, 산소·가스 버너를 사용하는 것이 바람직하다. 특히 버너의 구조는 한정되지 않지만, 일본 공개특허공보 평7-48118호, 일본 공개특허공보 평11-132421호, 일본 공개특허공보 2000-205523호 또는 일본 공개특허공보 2000-346318호에 개시되어 있는 버너가 예시된다.

본 발명의 제조방법에서 사용하는 0.05∼2㎜ 범위에 있는 큰 평균입경을 갖는 상기 내화성의 원료분말을 구상화하기 위해서는 이하의 수법이 바람직하다.

화염 중으로의 분말입자의 투입은, 캐리어 가스 중에 분산하여 실시한다. 캐리어 가스로는 산소가 바람직하게 사용된다. 이 경우, 캐리어 가스의 산소는 연료연소용으로 소비할 수 있는 이점이 있다. 가스 중의 분체농도는, 분말입자의 충분한 분산성을 확보하는 관점에서, 0.1∼20㎏/Nm³이 바람직하고, 0.2∼10㎏/Nm³가 보다 바람직하다.

또한, 화염 중에 투입할 때에는, 메시, 스태틱 믹서 등을 통과시켜 분산성을 높이는 것이 보다 바람직하다.

화염 중에서의 구상화를 빠르게 실시함과 함께, 단분산한 구상 주물사를 얻는 관점에서, 원료 분말입자의 형상과 조성을 선택하는 것이 바람직하다. 형상으로는 화염 중에서의 체류시간확보나 용융, 구상화를 빠르게 실시하는 관점에서, 원료 분말입자의 장축 직경/단축 직경비가 9 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 4 이하, 더욱 바람직하게는 2 이하이다. 또한, 조성으로는 융착되어 있지 않은 단분산의 구상입자를 얻는 관점에서, Al₂O₃/SiO₂ 중량비율이 1.5∼10 인 것이 특히 바람직하다.

또한, 분말입자는, N₂ 불활성가스 등을 전리시켜 생기는 플라즈마 제트 화염 중에서도 바람직하게 용융하여 구상화할 수 있다.

이상의 방법에 의해, 본 발명의 원하는 구상 주물사를 얻을 수 있다. 당해 주물사는, 유동성이 매우 우수한 것이다. 또한, 상기한 바와 같이 본 발명의 구상 주물사가 소정 비율로 함유되도록, 그 주물사와 공지된 주물사를 적절하게 혼합함으로써, 본 발명의 구상 주물사와 동등한 효과를 발휘할 수 있는 주물사를 얻을 수 있다. 주형의 제조에 있어서 이들 주물사를 사용하면, 사용하는 바인더의 양을 적게 할 수 있는 점에서, 이들 주물사는 주물사로서 효율적으로 재생할 수 있다.

본 발명의 구상 주물사 및 그 주물사와 공지된 주물사의 혼합물로 이루어지는 주물사 (이하, 이들 주물사를 본 발명의 주물사라 약기한다) 는, 주강, 주철, 알루미늄, 구리 및 이들의 합금 등의 주형 용도에 바람직하게 사용될 수 있다. 또한, 금속, 플라스틱 등에 대한 충전재로도 사용할 수 있다.

본 발명의 주물사는, 단독으로, 또는 규사 등의 그 밖의 공지된 주물사나 내화성 골재와 조합하여, 점토, 물유리, 실리카졸 등의 무기질 바인더, 또는 푸란 수지, 페놀 수지, 푸란페놀 수지 등의 유기질 바인더와 혼합되어, 원하는 주조용 주형을 사용하여 공지된 방법에 따라 조형될 수 있다. 고강도의 주조용 주형을 얻는 관점에서, 바인더의 사용량으로는, 주물사 100중량부에 대하여, 바인더를 0.05∼5중량부 사용하는 것이 바람직하다. 이렇게 하여 얻어지는 주형은, 고강도이고, 게다가 그 표면이 평활하다. 따라서, 이 주조용 주형으로 주조하면, 표면 거침이 작고, 후공정인 연마공정에 대한 부하가 작은 주물이 얻어진다.

주조용 주형의 제조에 사용하는 관점에서, 본 발명의 주물사의 입자 밀도 (g/㎤) 로는 1∼3.5g/㎤ 의 범위인 것이 바람직하다. 보다 고강도의 주형을 원하는 경우, 그 입자밀도로는 2.5∼3.5g/㎤ 의 범위인 것이 바람직하다. 이 범위의 것은 내부가 중실 (中實) 이고 치밀하여 고강도의 주형이 얻어진다. 또한, 경량인 주형을 원하는 경우, 그 입자밀도로는 1∼2.5g/㎤ 의 범위인 것이 바람직하다. 이 범위의 것은 내부에 공간을 갖는 다공질로서 경량인 주형이 얻어진다. 입자밀도는, JIS R 1620 의 입자 밀도 측정법에 따라서 측정할 수 있다.

또한, 상기 주물을 추가로 적절하게 가공함으로써, 표면 및 내면결함이 적은 구조물이 얻어진다. 당해 구조물로는 예를 들어, 금형, 엔진 부재, 공작기계 부재, 건축 부재 등을 들 수 있다.

본 발명의 구상 주물사는, 주물사에 요구되는 여러가지 특성이 우수하여 산업상 유용하다. 또한, 이상과 같은, 우수한 성질을 갖는 주조용 주형, 주물 및 구조물은 본 발명에 포함된다.

실시예 1

Al₂O₃와 SiO₂를 합계량으로 97중량% 함유하는, Al₂O₃/SiO₂중량비율이 1.7, 함수율이 0중량%, 평균입경이 0.31㎜, 장축 직경/단축 직경비가 1.5 인 멀라이트 분말 (시바타 세라믹스제 합성 멀라이트 분말) 을 출발원료로 하여, 당해 분말을, 산소를 캐리어 가스로 사용하고, LPG (프로판 가스) 를 대산소비 (용량비) 1.1 로 연소시킨 화염 (약 2000℃) 중에 투입하여, 단분산한 구상 주물사를 얻었다. 얻어진 주물사는, Al₂O₃와 SiO₂를 합계량으로 97중량% 함유하고 있고, Al₂O₃/SiO₂중량비율이 1.7, 평균입경이 0.26㎜, 구형도가 0.99, 흡수율이 0중량%, 입자밀도가 2.9g/㎤ 이었다. 그 주물사의 반사현미경 ((주)니콘제) 사진 (배율 : 100배) 을 도 1 에 나타낸다. 당해 도면으로부터 어느 주물사 입자도 구상인 것을 알 수 있다.

실시예 2

출발원료의 평균입경을 0.9㎜, 장축 직경/단축 직경비를 1.7 로 한 것 이외에는 실시예 1 과 동일한 조작으로 단분산한 구상 주물사를 얻었다. 얻어진 주물사는, Al₂O₃와 SiO₂ 를 합계량으로 97중량% 함유하고 있고, Al₂O₃/SiO₂ 중량비율이 1.7, 평균입경이 0.69㎜, 구형도가 0.97, 흡수율이 0중량%, 입자밀도가 2.8g/㎤ 이었다.

실시예 3

Al₂O₃와 SiO₂합계량으로 97중량% 함유하는, Al₂O₃/SiO₂중량비율이 2.7, 함수율이 0.1중량%, 평균입경이 0.25㎜, 장축 직경/단축 직경비가 1.3 인 멀라이트 분말 (시바타 세라믹스제 합성 멀라이트 분말) 을 출발원료로 한 것 이외에는, 실시예 1 과 동일한 조작으로 단분산한 구상 주물사를 얻었다. 얻어진 주물사는, Al₂O₃와 SiO₂를 합계량으로 98중량% 함유하고 있고, Al₂O₃/SiO₂중량비율이 2.7, 평균입경이 0.21㎜, 구형도가 0.99, 흡수율이 0중량%, 입자밀도가 3.1g/㎤ 이었다.

실시예 4

Al₂O₃와 SiO₂를 합계량으로 95중량% 함유하는, Al₂O₃/SiO₂ 중량비율이 1.64, 함수율 0.2중량%, 평균입경이 0.45㎜, 장축 직경/단축 직경비가 1.6 인 실리마나이트 샌드를 출발원료로 한 것 이외에는, 실시예 1 과 동일한 조작으로 단분산한 구상 주물사를 얻었다. 얻어진 주물사는, Al₂O₃와 SiO₂를 합계량으로 95중량% 함유하고 있고, Al₂O₃/SiO₂ 중량비율이 1.6, 평균입경이 0.35㎜, 구형도가 0.98, 흡수율이 0중량%, 입자밀도가 2.8g/㎤ 이었다.

실시예 5

Al₂O₃/SiO₂중량비율이 2.5 가 되도록 수산화알루미늄과 카올린을 혼합한 것을 전기로에 의해 700℃ 에서 1시간 가소하고, Al₂O₃와 SiO₂ 를 합계량으로 96중량% 함유하는, 함수율 1.9중량%, 평균입경이 0.2㎜, 장축 직경/단축 직경비가 1.8 인 분말입자를 출발원료로 한 것 이외에는, 실시예 1 과 동일한 조작으로 단분산한 구상 주물사를 얻었다. 얻어진 주물사는, Al₂O₃와 SiO₂를 합계량으로 95중량% 함유하고 있고, Al₂O₃/SiO₂중량비율이 2.6, 평균입경이 0.19㎜, 구형도가 0.97, 흡수율이 0.1중량%, 입자밀도가 2.7g/㎤ 이었다.

실시예 6

Al₂O₃와 SiO₂를 합계량으로 93중량% 함유하는, Al₂O₃/SiO₂중량비율이 1.56, 함수율 0.1중량%, 평균입경이 0.15㎜, 장축 직경/단축 직경비가 1.4 인 가소 반토혈암 분말을 출발원료로 하여 실시예 1 과 동일한 조작으로 단분산한 구상 주물사를 얻었다. 얻어진 주물사는, Al₂O₃와 SiO₂를 합계량으로 93중량%함유하고 있고, Al₂O₃/SiO₂ 중량비율이 1.55, Fe₂O₃함유량은 1.7중량%, 평균입경이 0.14㎜, 구형도가 0.988, 흡수율이 0중량% 이었다.

실시예 7

Al₂O₃와 SiO₂ 를 합계량으로 95중량% 함유하는, Al₂O₃/SiO₂중량비율이 3.36, 함수율 0.1중량%, 평균입경이 0.13㎜, 장축 직경/단축 직경비가 1.2 인 가소 반토혈암 분말을 출발원료로 하여 실시예 1 과 동일한 조작으로 단분산한 구상 주물사를 얻었다. 얻어진 주물사는, Al₂O₃와 SiO₂를 합계량으로 93중량% 함유하고 있고, Al₂O₃/SiO₂ 중량비율이 3.35, Fe₂O₃함유량은 1.01중량%, 평균입경이 0.12㎜, 구형도가 0.998, 흡수율이 0중량% 이었다.

실시예 8

Al₂O₃와 SiO₂를 합계량으로 91중량% 함유하는, Al₂O₃/SiO₂중량비율이 9.83, 함수율 0.1중량%, 평균입경이 0.14㎜, 장축 직경/단축 직경비가 1.3 인 가소 반토혈암 분말을 출발원료로 하여 실시예 1 과 동일한 조작으로 단분산한 구상 주물사를 얻었다. 얻어진 주물사는, Al₂O₃와 SiO₂를 합계량으로 91.5중량% 함유하고 있고, Al₂O₃/SiO₂ 중량비율이 9.39, Fe₂O₃함유량은 1.87중량%, 평균입경이 0.13㎜, 구형도가 0.996, 흡수율이 0 중량% 이었다.

실시예 9

Al₂O₃와 SiO₂를 합계량으로 95중량% 함유하는, Al₂O₃/SiO₂ 중량비율이 2.21, 함수율 0중량%, 평균입경이 0.16㎜, 장축 직경/단축 직경비가 1.4 인 가소 멀라이트 분말을 출발원료로 하여 실시예 1 과 동일한 조작으로 단분산한 구상 주물사를 얻었다. 얻어진 주물사는, Al₂O₃와 SiO₂를 합계량으로 95.3중량% 함유하고 있고, Al₂O₃/SiO₂중량비율이 2.19, Fe₂O₃함유량은 1.21중량%, 평균입경이 0.13㎜, 구형도가 0.995, 흡수율이 0중량% 이었다.

비교예 1

Al₂O₃/SiO₂ 중량비율이 2.7 이 되도록 수산화알루미늄과 카올린을 혼합하고, 스프레이 드라이어를 사용하여 평균입경 0.2㎜ 의 구상으로 한 분말입자 (Al₂O₃와 SiO₂를 합계량으로 96중량% 함유) 를 전기로 중에서 1500℃ 에서 1시간 소성함으로써 구상 주물사를 얻었다. 얻어진 주물사는, Al₂O₃ 와 SiO₂를 합계량으로 97중량% 함유하고 있고, Al₂O₃/SiO₂중량비율이 2.7, 평균입경이 0.18㎜, 구형도가 0.89, 흡수율이 1.2중량%, 입자밀도가 2.7g/㎤ 이었다. 그 주물사의 반사현미경 ((주)니콘 제조) 사진 (배율 : 100배) 을 도 2 에 나타낸다. 당해 도면으로부터 본 주물사 입자의 형상은 구상화율이 낮고, 구형도가 낮은 것을 알 수 있다.

비교예 2

Al₂O₃/SiO₂ 중량비율이 25 가 되도록 수산화알루미늄과 카올린을 혼합하고, 전기로에서 700℃ 에서 1시간 가소하여 얻은, Al₂O₃와 SiO₂를 합계량으로 97중량% 함유하는, 함수율이 2.9중량%, 평균입경이 0.2㎜ 인 분말입자를 출발원료로 한 것 이외에는, 실시예 1 과 동일한 조작으로 구상 주물사를 얻었다. 얻어진 주물사는, Al₂O₃ 와 SiO₂를 합계량으로 97중량% 함유하고 있고, Al₂O₃/SiO₂중량비율이 26, 평균입경이 0.19㎜, 구형도가 0.88, 흡수율이 1중량%, 입자밀도가 3.3g/㎤ 이었다.

비교예 3

Al₂O₃/SiO₂ 중량비율이 0.5 가 되도록 규석 가루와 카올린을 혼합하여, 전기로에서 700℃ 에서 1시간 가소하여 얻은, Al₂O₃와 SiO₂를 합계량으로 97중량% 함유하는, 함수율이 0.9중량%, 평균입경이 0.2㎜ 인 분말입자를 출발원료로 한 것 이외에는, 실시예 1 과 동일한 조작으로 주물사를 얻었다. 대부분이 부정형화되어, 구상의 것은 거의 얻어지지 않았다.

비교예 4

SiO₂함유량 99중량%, 평균입경 0.13㎜ 의 규사 (부정형) 를 출발원료로 하여 실시예 1 과 동일한 조작으로 주물사를 얻었다. 얻어진 주물사는 부정형인 것으로, 그 흡수율은 0.1중량% 이었다.

시험예 1

실시예 1, 3 및 5 와 비교예 1∼2 에서 얻어진 주물사의 유동성, 및 당해 주물사로부터 얻어진 주형의 강도 및 표면의 상태를 조사하였다.

(1) 주물사의 유동성

JIS K 6721 의 깔때기를 사용하여, 유동 시간 (초) 을 구하였다. 유동 시간이 짧은 것이 유동성이 우수하다.

(2) 주형의 강도

주물사를 74∼250㎛ 으로 분급 후, 성형 바인더로서 카오스텝 S660 (카오 퀘커 제조) 을 주물사 100중량부에 대하여 1.2중량부 첨가하고, 자경성 (自硬性) 주형조형법에 따라 성형 (지름 50㎜×높이 50㎜) 하여 주형을 얻었다. 이어서, 24시간, 실온에서 양생 후, 압축시험기를 사용하여, 주형의 압축강도 (㎫) 를 측정하였다 (25℃, 습도 55%).

(3) 주형의 표면

이하의 평가기준에 따라 주형으로부터 탈형 후의 주물 표면을 육안 관찰에 의해 평가하고, 당해 평가 결과를 주형 표면의 평가 결과로 사용하였다. 즉, 주물 표면의 상태가 평활하면, 주형의 표면도 평활하다. 또, 주물은, 주철 FC-250 을 고주파 화로에 의해 1400℃ 에서 용융하여, 50㎜×50㎜×400㎜의 직육면체 형상인 것을 제작하였다.

〔평가 기준〕

○ : 주물사 흔적이 없고, 평활한 면을 나타낸다

△ : 주물사 흔적이 조금 보이고, 약간 평활한 면을 나타낸다

× : 주물사 흔적이 명확하고, 거친 면을 나타낸다

이상의 각 시험결과를 표 1 에 나타낸다.

		실시예1	실시예3	실시예5	비교예1	비교예2
주물사	유동성(초)	9.6	9.3	9.9	11.7	11.6
주형	압축강도(㎫)	4.9	5.4	4.4	2.1	2.9
주형	표면상태	○	○	○	×	×

표 1 에 나타내는 결과로부터 비교예 1∼2 의 주물사에 비하여, 실시예 1, 3 및 5 의 주물사는 우수한 유동성을 갖는 것을 알 수 있다. 또한, 얻어진 주형에 관해서도, 비교예의 것과 비교하여, 실시예의 것은 강도가 우수하고, 또, 표면 상태가 평활한 것을 알 수 있다. 실시예 1, 3 및 5 의 주물사로 제조된 주형으로 주조된 주물은 후공정인 연마공정을 충분히 경감할 수 있는 정도로 표면은 평활하였다.

시험예 2

실시예 9 와 비교예 1, 4 에서 얻어진 주물사를 사용하여, 바인더를 카올라이토나 34OB (카오퀘커 제조) 로 한 것 이외에는 시험예 1 과 동일하게 하여 주형의 강도 시험을 0.5∼24시간 경과에 따라 실시하였다. 도 3 에 이들 주물사로 제작한 주형의 경시적인 강도 시험의 결과를 나타낸다. 그 도면에 나타내는 바와 같이 실시예 9 의 주물사를 사용한 경우, 단시간에 주형 강도가 실용 강도 (2㎫ 정도) 에 도달하였다. 이 때문에 탈형을 빨리 실행할 수 있어 작업 효율이 향상되었다.

또한, 실시예 9 와 비교예 1 에서 얻어진 주물사를 사용하여 제작한 주형의 표면과, 그 주형을 사용하여 제작한 주물 표면의 평활성을 표면조도 측정기 (고사카연구소 제조, 사프코다 SE-30H) 에 의해 표면조도 (중심선 평균조도 : Ra) 로서 측정하였다. Ra 가 작을수록 표면평활성이 우수하다. 결과를 표 2 에 나타낸다. 표 2 로부터 실시예 9 의 주물사를 사용한 경우, 비교예 1 의 주물사를 사용한 경우와 비교하여, 표면평활성이 우수한 주형이 얻어지고, 그것을 사용하여 제작한 주물의 표면도 평활성이 우수한 것을 알 수 있다.

		실시예 9	비교예 1
표면조도 Ra(㎛)	주형 표면	16	34
표면조도 Ra(㎛)	주물 표면	8	13

시험예 3

실시예 3, 9 와 비교예 1, 4 에서 얻어진 주물사에 관해서, 주물사의 재생 효율의 지표가 되는 내분쇄성을 비교하였다. 각 주물사 1㎏ 을 알루미나볼 밀에 각각 투입하여, 60분간 처리한 후의 평균입경변화율〔(처리 전의 평균입경/처리 후의 평균입경)× 100〕을 내분쇄성의 지표로 하였다. 그 변화율이 작을수록 내분쇄성이 우수하다. 결과를 표 3 에 나타낸다.

	실시예 3	실시예 9	비교예 1	비교예 4
평균입경변화율	119	116	129	156

표 3 으로부터 실시예 3 과 9 의 주물사는, 비교예 1 과 4 의 주물사에 비하여 내분쇄성이 우수한 것을 알 수 있다. 따라서, 사용하는 바인더를 적게 할 수 있어, 사용 후의 모래 중의 잔존 탄소량이 적고, 배소 재생이 용이해진다. 배소 재생에서는 분말화 (마모가루가 됨) 되지 않기 때문에, 실시예 3 과 9 의 주물사는 재생 효율이 우수하다고 할 수 있다.

시험예 4

실시예 3 의 주물사 50체적% 와 비교예 1 의 주물사 50체적% 로 이루어지는 주물사, 및 실시예 9 의 주물사 80체적% 와 비교예 4 의 주물사 20체적% 로 이루어지는 주물사를 각각 얻어, 시험예 1 에 준하여 시험한 바, 이들 주물사는 우수한 유동성을 갖고 있고, 또한, 그 주물사로부터 얻어진 주형은, 강도가 우수하고, 표면 상태가 평활하였다.

Claims

Al₂O₃및 SiO₂를 주성분으로 함유하여 이루어지고, Al₂O₃/SiO₂중량비율이 1∼15, 평균입경이 0.05∼1.5㎜ 인 화염용융법으로 제조된 구상 주물사.
제 1 항에 있어서, 평균입경이 0.05∼0.5㎜, 또한 구형도가 0.95 이상인 구상 주물사.
제 1 항에 있어서, 흡수율이 0.8중량% 이하인 구상 주물사.
제 1 항에 있어서, 구형도가 0.98 이상인 구상 주물사.
제 4 항에 기재된 구상 주물사를 50체적% 이상 함유하는 주물사.
제 1 항에 있어서, Al₂O₃및 SiO₂를 주성분으로 하는, Al₂O₃/SiO₂중량비율이 0.9∼17, 평균입경이 0.05∼2㎜ 인 분말입자를, 화염 속에서 용융하여 구상화하는 공정을 포함하는, 구상 주물사의 제조방법.
제 1 항에 기재된 구상 주물사를 함유하여 이루어지는 주조용 주형.
제 5 항에 기재된 주물사를 함유하여 이루어지는 주조용 주형.
제 7 항에 기재된 주형을 사용하여 주조된 주물.
제 8 항에 기재된 주형을 사용하여 주조된 주물.
제 9 항에 기재된 주물로 이루어지는 구조물.
제 10 항에 기재된 주물로 이루어지는 구조물.
Al₂O₃및 SiO₂를 주성분으로 함유하여 이루어지고, Al₂O₃/SiO₂ 중량비율이 1∼15, 평균입경이 0.05∼1.5㎜, 구형도가 0.95 이상인 구상 주물사.
제 13 항에 있어서, 흡수율이 0.8중량% 이하인 구상 주물사.
제 13 항에 있어서, 구형도가 0.98 이상인 구상 주물사.
제 15 항에 기재된 구상 주물사를 50체적% 이상 함유하는 주물사.
제 13 항에 있어서, Al₂O₃및 SiO₂를 주성분으로 하는, Al₂O₃/SiO₂중량비율이 0.9∼17, 평균입경이 0.05∼2㎜ 인 분말입자를, 화염 속에서 용융하여 구상화하는 공정을 포함하는, 구상 주물사의 제조방법.
제 13 항에 기재된 구상 주물사를 함유하여 이루어지는 주조용 주형.
제 16 항에 기재된 주물사를 함유하여 이루어지는 주조용 주형.
제 18 항에 기재된 주형을 사용하여 주조된 주물.
제 19 항에 기재된 주형을 사용하여 주조된 주물.
제 20 항에 기재된 주물로 이루어지는 구조물.
제 21 항에 기재된 주물로 이루어지는 구조물.